게이츠헤드 밀레니엄 교량

활용사례

게이츠헤드 밀레니엄 교량

케이블 지지형 기울기 개방 보행 교량
단계적 시공 해석
비선형 동적 해석

게이츠헤드 밀레니엄 교량은 세계 최초이자 유일한 기울기 교량으로, Ramboll와 윌킨슨 에이어(Wilkinson Eyre)가 설계하였습니다. 이 교량은 강판으로 제작되었으며 LUSAS 교량 해석 소프트웨어의 도움을 받아 설계되었습니다. 교량은 높이 45m, 길이 105m로, 타인 강을 가로질러 보행자와 자전거 이용자에게 신설된 뉴캐슬 강변과 맞은편 게이츠헤드 강변을 연결합니다.

개요

작은 수상 선박은 교량 아래를 통과할 수 있지만, 더 큰 선박을 위한 하중을 위해 이 케이블 지지형 이중 아치 구조물은 게이츠헤드 구청에서 지정한 25m의 항행 클리어런스를 제공하기 위해 교대에서 40도 각도로 회전합니다. 8개의 전동 모터에 의해 구동되며, 구조물의 850톤의 정적 하중을 완전히 개방 위치로 회전하는 데 약 4분이 소요됩니다. 개방 시 서스펜션 케이블은 수평으로 펼쳐져 두 개의 아치를 서로 지지합니다. 각각 14톤의 주물 부품이 양쪽에 위치하여 외부 및 방사력 하중을 견디는 베어링을 지지합니다.

130m 길이의 교량 데크는 높이가 포물선 형태이며, 중심부로 갈수록 테이퍼 형태의 강박스로 제작되었습니다. 보행자 보도는 너비가 3m에서 5m까지 다양하며, 2.5m의 돌출 자전거 도로도 갖추어져 있습니다. 주요 아치 또한 포물선 형태이며, 계획과 높이 모두에서 수축됩니다.

모델링

LUSAS에서 구조물을 모델링하기 위해 두 개의 노드가 있는 3D 바 요소, 3D 공학 두꺼운 보 및 해당 3D 접합 요소가 사용되었습니다. 수행된 상세 해석에는 선형 정적 해석, 고유진동수 추출, 좌굴 해석 및 비선형 해석을 포함한 단계적 시공 해석이 포함됩니다. LUSAS의 단계적 시공 기능을 통해 사용자는 완전한 모델을 구축하여 시공을 고려하는 단계에 따라 선택된 요소를 활성화하거나 비활성화할 수 있습니다. 이러한 유형의 케이블 지지 구조물에 특히 적합하며, 초기 응력 또는 변형률을 사용한 케이블 프리스트레싱 및 케이블 스테이를 교체하거나 절단하는 것을 조사할 수 있습니다.

프로젝트 엔지니어인 Shapour Mehrkar-Asl은 “LUSAS 해석에서 생성된 힘과 변위를 사용하여 설계와 단계적 시공 방법을 결정했습니다.”라고 말했습니다. 그는 계속해서 “브리지는 필요한 프로파일을 제공하기 위해 텐던의 초기 힘 계산이 필수적이었습니다. 이것은 캠버를 고려하여 단계적 시공 해석에서 사용되었습니다.”


임시 지지대에서의 단계적 시공	모든 스테이 장력이 조여지고 임시 지지대가 제거된 완료된 구조

단계적 시공 해석도 교량을 시공 야드에서 영구적인 위치로 옮기는 과정을 조사하기 위해 수행되었습니다. LUSAS 모델에서 볼 수 있는 리프팅 어셈블리를 나타내는 요소가 포함되어 있습니다.

교량 리프팅 어셈블리 모델

정적 하중, 동적 하중, 풍 하중 및 온도 효과도 평가되었으며, 모든 모델에서는 개방 및 개폐 모델을 제외하고는 강성 지지대가 사용되었습니다. 개방 및 개폐 모델에서는 접촉 간극 요소가 있는 스프링 지지대를 사용하였습니다.

동적 해석

개방 및 개폐 시퀀스의 동적 해석은 단계별 적분을 사용하여 수행되었습니다. 이 해석에서는 전체 모델의 40도 회전을 허용하기 위해 요소가 수정되었으며, 지원 분리를 허용하기 위해 접촉 조인트 요소를 사용하였습니다. 또한 비선형 3D 공학 두꺼운 보 요소로 교체되어 모델에서 회전을 수용하였습니다.

Shapour Mehrkar-Asl에 따르면, “LUSAS의 사용은 이 교량의 설계에 필수적이었습니다. 왜냐하면 시공 시퀀스를 모델링하기 위한 풀 3D 단계적 시공 해석과, 개방 및 개폐 시퀀스를 모델링하기 위한 대각선 이동 해석이 필요했기 때문입니다.”

전체 조립된 교량은 세계에서 가장 큰 부유 크레인 중 하나인 아시안 헐리우스 II에 의해 제자리에 리프팅되었으며, 2002년 5월 공식 개통되었습니다. 그 건축은 윌킨슨 에이어에게 2002년 왕립 건축가 협회(RIBA) 스털링 상을 수여하였고, 기포드에게는 2003년 영국 구조 엔지니어 협회 최고 상을 수여하였습니다.

더 많은 사진, 추가 정보 및 실시간 웹캠은 다음 링크에서 확인하실 수 있습니다:

“LUSAS의 사용은 이 교량의 설계에 필수적이었습니다. 왜냐하면 시공 시퀀스를 모델링하기 위한 풀 3D 단계적 시공 해석과, 개방 및 개폐 시퀀스를 모델링하기 위한 대각선 이동 해석이 필요했기 때문입니다.”

Shapour Mehrkar-Asl, 프로젝트 엔지니어, Ramboll